（通信与信息系统专业论文）gsmr中同频干扰评定标准的研究.pdf

中文摘要 摘要：欧洲标准对同频干扰作了限制，在3 g p p0 5 0 5 中规定：同频干扰的载 波干扰比应该满足c i 9 d b 。中国g s m r 网络对于同频干扰的指标要求，借 鉴了欧洲标准对g s m 的指标要求。这种借鉴具有一定的理论依据，但是同时存 在一些观点不支持盲目的借鉴欧洲标准。其一，g s m 与g s m r 存在着不同 g s m 和g s m r 对覆盖率、干扰概率、通信质量和中断概率的要求有很大不同； 其二，中国与欧洲存在着诸多差异中国铁路与欧洲铁路在运输组织、客流特 征以及速度值界定等方面存在较大差异。基于此，本文结合国内实际情况对该指 标进行了分析、研究及验证。 本文基于中国铁路现状，阐述了同频干扰载波干扰比的随机变量特性，定义 了同频干扰概率，推导了在瑞利衰落和阴影效应的条件下，单干扰源和多干扰源 时的同频干扰概率公式，并对同频干扰概率作了仿真分析；研究了在瑞利对数 正态衰落信道条件下，误码率与载干比的关系。此外，论文将同频干扰概率与误 码率联系起来，提出了同频干扰载波干扰保护比的计算方法。 论文利用国内大秦铁路线g s m r 网络a 、a b i s 、p r i 三个接口数据，在抽 样的基础上，采用工程现场实测、调查研究、理论分析与实证相结合的方法，统 计并求解适用于大秦铁路现状的c i 的保护值。文中给出了详细的求解步骤，并 给出了建议的同频干扰保护比取值。分析与计算结果表明，将载干比概率与误码 率相结合计算载干比保护值的方法简单、高效，具有实用价值。 关键词：g s m r ；同频干扰；干扰概率；误码率；载干比；保护比 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t a b s t r a ct ：a c c o r d i n gt o3 g p p0 5 0 5 ，t h ec a r r i e r - i n t e r f e r e n c er a t i o s h o u l db e m o r et h a n9 d bi ne u r o p e a ng s mn e t w o r k c h i n ag s m rn e t w o r kr e f e r st ot h i s e u r o p e a nr e q u i r e m e n t h o w e v e r , t h e r ea r es o m er e a s o n st h a tg s m - rn e t w o r ks y s t e m c a n ts i m p l yp e c u l a t et h i sr e q u i r e m e n t f i r s to fa l l ，g s ma n dg s m ra r eq u i t e d i f f e r e n ti ns o m ea s p e c t s ，s u c ha st h ec o v e r a g e ，i n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t y , q u a l i t yo f s e r v i c e ，a n dc a l ld r o pp r o b a b i l i t y ；s e c o n d l y , t h e r ea lem a n yd i f f e r e n c e sb e t w e e nc h i n a a n de u r o p e ，t h er a i l w a yt r a n s p o r to r g a n i z a t i o n , f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et r a i ns p e e d ， a n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oc o m b i n et h es p e c i f i c a t i o nw i t ht h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ac it h r e s h o l di s n e e d e dt oe v a l u a t et h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c eo f g s m ri nc h i n a i nt h i sp a p e r , t h ea r i t h m e t i ct oc a l c u l a t et h et h r e s h o l df o rc o c h a n n e li n t e r f e r e n c ei s b r o u g h tf o r w a r du n d e rt h eb a c k g r o u n do f c h i n e s er a i l w a y i nt h i sp a p e r , ad e f i n i t i o n f o rt h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t yi sg i v e n , af o r m u l af o rc o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t yi sd e r i v e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb i te r r o rr a t ea n dc i i nt h er a y l e i g h | l o g n o r m a lf a d i n gc h a n n e li sf i g u r e do u t t h ep a p e ri n n o v a t i v e l ya s s o c i a t e dt h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t ya n db i te r r o r r a t e ，a n dd e s i g n e da na r i t h m e t i cw h i c hc a ns u c c e s s f u l l yc a l c u l a t et h ec it h r e s h o l d t h ea r i t h m e t i ci sv a l i d a t eb yg s m rn e t w o r ko fd a q i nr a i l w a y , o nt h eb a s i so f s a m p l i n g ，a c t u a lm e a s u r e m e n t ，r e s e a r c h ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de m p i r i c a lm e t h o d a t l a s t ，t h er e a s o n a b l ec iv a l u ei ss u g g e s t e d t h ea r i t h m e t i cw a sp r o v e dt ob es i m p l e ， e f f i c i e n ta n du s e a l e k e y w o r d s ：g s m - r ：c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ；i n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t y ；b e r ；c l ； s h o l d c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 图表目录 图2 1 下行链路同频干扰示意图5 图3 1 移动通信场强分布变化特性k 1 1 图3 2g s m r 线状覆盖示意图1 4 图3 3g s m r 网状覆盖示意图1 6 图3 4 同频干扰概率的计算流程图1 9 图3 5 同频干扰概率随c i 均值的变化曲线2 l 图4 1 测量报告中的接收质量2 3 图4 2 移动台电路原理2 4 图4 3b t s 侧电路原理2 5 图4 4 帧单元的结构2 6 图4 5改进的g m s k 调制器2 6 图4 6 相干检测原理图2 7 图5 1 求解同频干扰保护比流程图3 0 图5 2 西张庄小区中断前下行质量分布图3l 图5 3 西张庄小区干扰概率随均值的变化曲线3 3 图5 4 不同下行质量需求时西张庄干扰概率变化曲线3 4 图5 5 下行质量3 级时各小区干扰概率变化曲线3 7 图5 6 西张庄至秦皇岛东地段上的小区分布。3 8 图5 7 西张庄至秦皇岛东测量报告4 0 表3 1 阴影衰落标准差。值1 0 表4 1 接收质量与误码率的对应关系。2 2 表5 1 西张庄小区中断现象描述表3 l 表5 2 西张庄小区同频干扰保护比典型值3 3 表5 3 大秦线各小区下行接收电平均值和下行接收质量最大值统计表3 5 表5 4 大秦线各小区同频干扰保护比典型值3 6 表5 5 西张庄至秦皇岛东频点表3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：车青 签字同期： 2 四年多月侈日 4 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：韩荡 导师签名： 签字日期： 吁年6 月莎i t 口 月卯日 l 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，钟章队教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 钟章队老师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，并对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此向钟章队老师表示衷心的谢意。 无线通信实验室的金晓军、朱刚、李旭、张小津、吴昊等老师对于我的科研 工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，蒋文怡老师、丁建文老师、杨杉师兄、吴宇 同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 课题背景及选题意义 1 9 9 2 年启动的e 瓜e n e ( 欧洲集成化铁路无线增强网络) 项目确定采用g s m r 系统来取代各种落后的不同制式的模拟系统。g s m r 系统作为语音、数据业务的 综合承载平台，在欧洲主要应用于行车调度指挥的语音通信以及列控信息的传送。 欧洲采用g s m r 传送列车控制信号的e t c s 系统已经在很多线路上进行了 e t c s 2 级测试，并在瑞士、荷兰、意大利等国家的部分铁路上的商业化应用取得 了成功。在欧洲高速铁路和普速铁路已经完成的大量试验和测试的基础上形成了 g s m r 系统相关的系列服务质量标准。 2 0 0 4 年1 0 月，中国铁路与国际铁路联盟u i c 签署了中国铁路选择g s m r 技 术标准的备忘录。中国铁路客运专线、城际铁路、长大干线的无线通信系统都将 采用g s m r 技术体制，g s m r 系统主要提供列调、货调、电调等调度通信服务， 实现有线、无线相结合的调度通信服务；提供各种车地信息传送业务，如调度命 令、无线车次号校核、列车尾部安全防护装置信息、列车机车信号和监控等信息 的传送；还提供区间维护作业通信和应急移动通信服务；在e t c s 2 3 、c t c s 3 4 列控系统中利用它作为车地通道传输安全数据实现列车运行控制。 目前我国已建成多条g s m r 通信线路，青藏、大秦、京津、合宁等多条线路 已投入运营，上述线路在早期的建设过程中因缺乏g s m r 系统的建设经验，其服 务质量指标主要借鉴于欧洲标准，上述线路的开通，为研究适合于中国国情条件 下g s m r 系统服务质量的研究提供了条件。 中国g s m r 网络对于同频干扰的指标要求，是借鉴了欧洲标准对g s m 的指 标要求：欧洲标准对同频干扰作了限制，文献 1 】中规定：对同频干扰来说，载波 干扰比应该满足：c i 9 d b ；文献 2 】中规定：c i 取值参考g s m 工程设计规范， 考虑设备老化及不可预见因素影响，可增加3 d b 余量。 目前并没有看到这种借鉴的理论依据，反而有许多理论反对单纯的借鉴欧洲 的标准。其一，g s m 与g s m r 存在着不同_ g s m 和g s m r 对覆盖率、干扰 概率、通信质量和中断概率的要求有很大不同；其二，中国与欧洲存在着诸多差 异中国铁路与欧洲铁路在运输组织、客流特征以及速度值界定等方面存在较 大差异。这就要求我们结合国内实际情况对该指标验证、分析、研究。 同频干扰与系统服务质量密切相关，在满足服务质量要求的前提下可以确定 载波干扰比的最小值( 阈值) ，而该阈值的确定直接影响到g s m r 无线子系统的设 计。本课题旨在综合考虑小区接收质量、接收电平、和地形因素的基础上，提出 具有广泛适用性的c i 均值阈值的计算算法。并依据该算法，完成了大秦线载干比 阈值的求解。该算法计算出的c i 均值的阈值，可以用于指导g s m r 系统建设， 为网络规划、优化提供正确的理论指导。 1 2 国内外研究现状 g s m 网络中，国外有些学者已经对3 g p p 中规定的c i 9 d b 提出质疑：文献 3 】通过仿真测量，在大量统计数据的基础上，提出同频干扰和邻频干扰的c i 阈 值需要进一步增大；文献 4 】得出了g s m 系统应用于山区或者农村地区时，如果要 保证话音质量，c i 要大于1 2 d b ；文献 5 】对蜂窝系统中的同频干扰分析中提出， g s m 的c i 9 如是在9 0 的时间概率和地点概率的基础上的。 作为建立在成熟g s m 通信系统上的g s m r 系统，其物理层的编码、交织、 调制、解调等与g s m 是一致的【6 1 ，相应的无线网络规划技术等也都能借鉴g s m 的成熟技术。但g s m 系统是为民用通信服务的，其规划局限在低速、非安全层面 上，而g s m r 系统需要为铁路通信提供高速的、可靠的、大容量的移动通道。随 着g s m r 通信平台用于承载列车控制信息和高速铁路的发展，对g s m r 系统的 高速性、安全性要求更为严格。目前的运营过程中，已经有人提出，在进行网络 规划设计的过程中，c i 9 d b 不能满足铁路通信的需求【7 1 。但是，无论是g s m 网络还是g s m r 网络，对于c i 9 拈的质疑只是初具概念，国内外并没有人在 这个领域进行详细、系统的研究，更没有形成成熟的算法。 目前，国内外对c i 的研究主要是在以下两个领域：干扰概率、误码率与载干 比的关系。 干扰概率是基于载波干扰比的随机变量特性展开的研究。其理论是将电波的 大尺度、中尺度和小尺度传播特性叠加【引，计算在衰落和对数正态阴影下的蜂窝系 统的干扰概率的准确公式【9 13 1 。文献9 1 1 研究的是在干扰信号与干扰信号不相关 且有用信号与干扰信号不相关的衰落环境中的同频干扰概率。文献 1 2 一1 3 】提出了 蜂窝无线系统中，当有用信号服从于赖斯衰落，同频干扰信号有相关性的对数正 态分布慢衰落环境中时的同频干扰概率的精确算法。并得到如下性质：同频干扰 信号之间的相关性对同频干扰概率的影响不大，有用信号和同频干扰之间的相关 性对同频干扰概率有很大的影响，且小尺度衰落是瑞利分布还是赖斯分布，对同 频干扰概率影响不大l l 2 。 2 误码率与载干比关系的研究，常见的方法有两种，一种是通过仿真，另一种 是理论推导。仿真即是通过m a t l a b 及s i m u l i n k 软件，模拟产生一串二进制序列， 在输入端同时输入加性高斯白噪声，使其经过瑞利信道，在输出端测量其误码率。 这样可以显示不同的e b n o 对应的b e r 的值【7 , 1 4 , 1 5 】。理论推导则是根据整个通信 系统的结构，推导b e r 与e b n o 的公式。将接收机侧的输入信号( 如白噪声、时延 信号、干扰信号) 考虑在内，再考虑不同的衰落条件( 如赖斯信道，n a k a g a m i 信道) ， 接收端的解调方式，判决门限设置等，最终得到白噪声信道中，信噪比与误码率 的关系【8 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 却】。目前，也已经研究了经历各种衰落后的误码性能，如多相信 号在非频率选择性、慢衰落的瑞利信道中的符号差错概率，二进制的非相干f s k 、 d p s k 在赖斯信道中的符号差错概率，m p s k 和d m p s k 信号在瑞利信道中的符号 差错概率等等【2 1 1 。 c i 在这两个领域的研究，都具有很重要的意义。干扰概率的提出是基于c i 的随机变量特性，体现了无线电波的传输特性对同频干扰大小的影响；而误码率， 则是基于g s m 或g s m r 的通信框架及物理层的特性，反映了调制、解调、交织 等对同频干扰的影响。它们都是属于科学基础研究，共同的缺点是计算复杂化、 抽象化，在工程施工中无法使用。 目前对于这两方面的研究是并行发展的，各领域的学者都在尝试着用自己领 域的知识独立的解决工程问题。实际上，由于干扰概率分析的是无线信道对于有 用信号和干扰信号的影响，而误码率考虑了调制、解调、交织等物理特性对同频 信号和干扰信号的影响，这两个领域所考虑的因素互不重合且各自代表了通信过 程中的两个最重要的方面，因此，这两个领域是可以结合在一起考虑的。本文就 是以此为出发点，尝试把二者结合起来，最终求出一个简单化且工程中可以使用 的同频干扰评判标准，指导同频小区的复用及网络规划。再利用现有的g s m r 数 据，得到适用于我国铁路的c i 保护比，为日前对c i 9 d b 的质疑提供准确详尽 的理论依据。 综上可以看出，对同频干扰评判标准的研究，没有任何成熟经验可以借鉴， 所有的研究在世界上都是新的尝试。本文属于基础研究，在考虑瑞利衰落和对数 正态阴影的基础上，首次提出了计算载波干扰比保护值的一种方法。并基于已参 与运营的大秦线数据，对算法进行了验证。鉴于本部分内容属于开拓性研究，相 信其能为其他学者对同频干扰载波干扰保护比的研究提供一定的参考。 1 3 论文主要工作与贡献 3 本论文是针对中国铁路的g s m r 网络展开的，论文的背景和指标假设也将遵 循铁路规范。目标在于形成一个算法，在不同的环境、不同的小区及不同的干扰 概率的要求下，求出满足铁路通信需求时c i 均值的最小值。 论文所涉及的内容包括： 同频干扰载波干扰比的随机变量特性； 公式推导t 单干扰源和多干扰源时，同频干扰概率即载波干扰比的瞬 时值小于特定阈值的概率； 公式推导：瑞利对数正态衰落信道条件下，误码率与载干比的关系； 将同频干扰概率与误码率联系起来，利用前面获得的公式，研究如何求解 不同的误码率和干扰概率要求时，同频干扰的载波干扰保护比。 分析了当前工作还不完善的地方，指出了下一步工作的方向。 论文研究的重点在于如何将同频干扰载波干扰比的随机特性与a b i s 测量报告 中的下行接收质量联系在一起，主要技术难点在于国内铁路线g s m r 网络a 、 a b i s 、p r i 三个接口数据及a n 节点统计的中断报表的批量获取与分析，拟在抽样 的基础上，采用、工程现场实测、调查研究、理论分析与实证相结合的方法进行。 论文的结构为： 第一章引言综述选题意义、研究背景及主要工作。 第二章同频干扰介绍同频干扰的定义，同频干扰产生的原因，衡量同频 干扰大小的性能指标，同频干扰载干比的定义，以及目前国内检测同频干扰的方 法。 第三章同频干扰概率阐述同频干扰载干比的随机变量特性，并定义了同 频干扰概率，推导在瑞利衰落和阴影效应的条件下，单干扰源时的同频干扰概率 公式，继而得到多干扰源时的同频干扰概率计算方法。 第四章同频干扰对误码率的影响介绍g s m r 基站侧及移动台侧的通信系 统框图，利用无衰落条件下的系统传输性能公式，推导在瑞利对数正态衰落信道 条件下，误码率与载干比关系的公式。 第五章同频干扰保护比计算首次研究了中国g s m r 网络的c i 均值的保 护值的计算方法。采取由点及线的方法，基于a 、a b i s 、p r i 及a n 节点中断统计 数据，统计并求解适用于中国铁路现状的c i 均值的阈值。点以西张庄小区举 例，详细介绍了如何得到该小区c i 均值的最小值：由点及线将西张庄小区的 c i 均值最小值计算方法普遍应用于大秦线的各个小区，统计处理后，得到大秦线 全线同频干扰评定标准。并以大秦线的数据为例，验证算法的可用性。 第六章结论和展望对所做工作进行了总结，并针对论文中还有待进一步 研究的地方，提出了将来的发展方向。 4 2 同频干扰概述 2 1同频干扰定义 干扰，本质上是未按频率分配规定的信号占据了合法信号的频率，造成合法 信号无法正常工作。因此在分析g s m r 移动通信系统中的干扰时，首先应明确 中国铁路g s m r 系统的合法工作频率。中国铁路g s m r 系统工作在8 8 5 8 8 9 ，9 3 0 9 3 4 2 频段范围中，共4 m h z 带宽。可以看出，该频段为g s m r 系统 与中国移动公众移动通信系统按地域共用，因此，g s m r 系统比其他公众移动通 信系统的干扰要复杂，按照其干扰源可以粗略地将g s m - r 移动通信系统的干扰分 为外部干扰和内部干扰。 外部干扰主要包括强信号干扰、固定频率的干扰、不可预测信号干扰及非法 信号的干扰。 内部干扰主要包括同额干扰、邻频干扰和互调干扰，以及由于时间色散引起 的干扰。 同频干扰就是指所有落到接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的 干扰，即指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接 收造成影响的干扰，亦称同信道干扰。这些无用信号和有用信号一样，在超外差 接收机中经放大、变频而落到中频通频带内。存在同频干扰的频率范围是t o 墨， 为有用信号载波频率，耳为接收机中频带宽。 图21f 行链路同频干扰示意圈 f i 9 21d o w n l i n kc o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e 璺 一 够 由于同频干扰信号与有用信号同时被放大、检波，当两个信号出现载频差时， 会造成差拍干扰；当两个信号的调制幅度不大相同时，会引起失真干扰；当两个 信号存在相位差时也会引起失真干扰。干扰信号越大，接收机的输出信噪比越小。 当干扰信号足够大时，可造成接收机阻塞，轻则降低接收灵敏度，重则通信中断， 通信中断对g s m r 系统而言，即降低了可靠性和行车效率。 2 2同频干扰产生的原因 通过对网络实际运行情况及各种测试结果的分析发现，g s m r 中产生同频干 扰的原因一般有以下几种： ( 1 ) 频率复用不当或同频复用距离太小，频率规划或频点设定不合理，造成同 频干扰在短距离范围内存在。 ( 2 ) 直放站设置不合理，引入同频干扰。 ( 3 ) 对小区参数如b s i c 的定义不当，从而造成干扰。 ( 4 ) 基站天线方位角、俯仰角及天线高度设置不合理，导致覆盖的范围也不合 理，从而产生同频干扰。 ( 5 ) 由于铁路附近复杂的传播环境引起同频干扰。 ( 6 ) 由于外网( 如g s m 网络) 与g s m r 网络规划存在的冲突，造成相互之间的 同频干扰。 2 3衡量同频干扰的性能指标 用于评价接收信号质量的性能指标称为载干比，用c i 表示。它是指加到接收 天线输入口的有用信号( c ) 的载波功率( 最) 和同频干扰信号( i ) 功率( 口) 的比值，即 c i 的取值为：犀e 。载干比c i 越大，网络质量越好，但频率利用率越低。 目前国内外的规范中对c i 的相关规定如下： 对于g s m r 系统，主控制信道及列控业务信道所在频率的c i 1 2 d b ，话音 信道和非安全类电路域数据信道所在频率的c i 9 d b ，分组域数据信道频率的 c ，1 2 d b 。 6 2 4同频干扰的检测 g s m r 系统中，存在多种检测同频干扰的方法。概括起来可分两类：链路预 算及工程测量。这两类方法各有弊益，广泛应用在网络规划、网络优化及理论研 究等各个领域。下面将对这两类检测及测量方法作简单介绍，重点介绍它们各自 适用的范围以及它们的区别。 2 4 1链路预算 网络规划阶段普遍使用链路预算法来估算同频复用距离：即根据基站收发信 机的发射功率，天线增益，天线高度等，利用合适的电波传播模型，计算当载波 干扰比为1 2 d b 时的小区间距 网络优化阶段也经常使用该方法来估算载波干扰比。即通过测量两个同频小 区之间的距离，根据基站收发信机的发射功率，天线增益，天线高度等，利用合 适的电波传播模型，估算这两个同频小区之间的载波干扰比的大小，然后判定是 否满足协议或工程要求。 该方法是目前确定同频复用距离的主要方法。工程中作网络规划时，会为载 波与同频干扰功率比留下3 d b 的余量，即会保证c i 大于1 2 d b 。根据电波传播模 型计算出同频复用距离的最小值，更好的进行频率规划。但是，不同的地形，应 该使用不同的传播模型，而且不同的地貌，传播指数、修正因子也都不同。传播 模型的不准确性，会导致预算存在很大的误差。 2 4 2 工程测量 工程测量是利用工具( 如测试手机) 来检测是否存在同频干扰的方法。其理论是 利用扫频方法，对各个频点的信号进行测量。测量其电平值，并解析出它们的b s i c 。 如果发现同一地点同一频点，解析出了不同的b s i c ，则认为存在同频干扰。 这种方法最普遍，也最实用。如果某个地方的接收电平很高，但是接收质量 很差，网络优化人员首先会排查基站参数设置，话务量情况，以及服务小区周围 是否存在潜在的同频干扰源；不存在上述问题的前提下，工作人员通常会去现场 用该方法实地测量，如果确定存在干扰，则进一步排查网内网外的原因。 但是，如果干扰特别严重，将会导致系统无法解码b s i c ，或者解出来的b s i c 并不正确，此时将严重影响测量结果的准确性。 7 3 同频干扰概率 3 1同频干扰概率的定义 在衰落环境中，移动无线接收机接收到的载波干扰比是随时间和位置变动的。 接收信号和同频干扰信号都由下列因素决定： 信号包络的快衰落，服从于瑞利或赖斯分布； 在大范围内，小区间信号中值随地理位置的变化服从于对数正态分布。 c i 是一个随机变量，它受到各种随机现象的影响，如( 1 ) 移动台的位置；( 2 ) 衰落：( 3 ) 小区基站位置；( 4 ) 话务量分布以及其他随机因素。 c i 既然是一个随机变量，则它应该有自己的概率特性。在这里，将c i 小于 边界值( 口) 的概率定义为同频干扰概斛1 2 1 ，公式表达为： 气pp ，( 口) = j 厂( 詈矽( 等) ( 3 1 ) 3 2移动通信场强分布变化特性 在陆地移动通信中，电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波以及 它们的合成波。使用以下三种传播机制来描述无线信号，这三种传播机制是根据 距离尺度大小来区分的：大尺度的传播机制用来描述区域中值，即中值信号功率 与距离的某次幂成反比关系；中尺度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在 大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化，当用d b m 表示时，这种变化趋向 于正态分布，因而又称为对数正态阴影；小尺度的传播机制用于描述多径衰落， 它通常服从于瑞利或赖斯分布，又称为瑞利衰落或赖斯衰落【2 2 1 。 设收发信机之间距离为d ( 砌) ，发信机的发送信号的平均功率为p , ( d s m ) ，较 大区域场强中值为p , ( d b m ) ，局部中值接收机接收到的信号平均功率为p o ( d b ) ，无 线路径损耗为三( 如) 1 。 1 注：这里要区分e ( 挡聊) 和p o ( d b m ) 。p o ( d s m ) 是小区中值的变动幅度，p ，( d b m ) 是中值的中 值( 5 0 累积分布的值) 也就是说，p r ( d s m ) 是p o ( d b m ) 的中值。 8 3 2 1 大尺度衰落 前面已经指出，大尺度的传播机制用来描述区域中值，即中值信号功率与距 离的某次幂成反比关系。铁路环境是多种环境的组合，可能是城市、郊区、乡村 等，但规划时，一般会尽量选择较为空旷的地区。 h a t a 模型从频率、适用距离、天线高度等方面都符合g s m r 铁路环境的需求， 计算参数容易获取，对不同地形地物描述较为详尽，并广泛成熟的应用于g s m 网 络规划中，故选用h a t a 模型对g s m r 铁路环境进行规划和计掣2 3 1 。 下面对h a t a 模型进行简单介绍： 适用范围：宏小区； 工作频率：15 0 l5 0 0 m h z ； 工作距离：l k m - - 2 0 k m ； 基站天线高度巩：3 0 m - - - 2 0 0 m ： 移动台天线高度h 。：l m l o m = h a m 模型以市区路径传播损耗为基准，在此基础上对其他地区进行修正，市 区传播路径损耗基准公式为： l ( d b ) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 ( h t , ) + 4 4 9 6 5 5 1 9 ( h b ) 】l g ( d ) 一口( 月_ ) ( 3 2 ) 大城市，移动天线修正因子为： 口( 巩) = 3 2 ( 1 9 1 1 7 s h i n ) 2 4 9 7 ( 3 3 ) 中小城市，移动天线修正因子为： 口( 爿- ) = ( 1 1 l g f 一0 7 ) 月二一( 1 5 6 1 9 f 一0 8 ) ( 3 4 ) 郊区的路径损耗修正模型为： t ( d b ) = ( 市区) 一2 1 9 ( f 2 8 ) 1 2 5 4 ( 3 5 ) 乡村( 准开放) 地区，路径损耗修正模型为： l ( a b ) = 三( 市区) - 4 7 8 ( 1 9 f ) 2 + 1 8 3 3 ( 1 9 门- 3 5 9 4 乡村( 开放) 地区，路径损耗修正模型为： l ( d s ) = 工( 市n _ ) - 4 7 8 ( 1 9f ) 2 + 18 3 3 ( 1 9f ) - 4 0 9 4 用h a t a 模型对路径损耗进行建模时，无论在何种环境下， 度和移动台高度，均可用下面的通用公式进行表示： 9 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 选择任何的基站高 l = a + b l g ( d ) 其中，l 为路径损耗，单位d b ；截距a 取决于工作频率、基站高度和移动台 高度，即当通信的工作条件一旦确定，a 随即确定；斜率b 仅与基站高度相关， 而参数b 直接决定了路径随距离d 的线性变化关系；d 为移动台与基站之间的距离， 单位k m 。 3 2 2 中尺度衰落 中尺度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电 平上的平均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态分布，因而又称为 对数正态阴影。根据上一节的变量设置，大尺度路径损耗表示为 p 【招 - p ， d b 】一l d b 】 ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 未考虑在相同t r 距离情况下，不同位置周围环境的差别。实际上， 在无线通信中，由于接收端在不断的移动，必然会经过高矮、位置、占地面积等 不同的建筑物或是自然界物体，中值电平与无线电传播地形和地物的分布和高度 有关，这就导致测试信号与式( 3 8 ) 预测的平均结果有很大差异。测试表明，对 任意的d 值，局部场强中值异 ，l 相对于较大区域场强中值e d b m 】的变化服从 对数正态分布。即 p o d s m n ( p r ，o r 2 ) ( 3 9 ) 标准差为o r ，单位也是d b 。它的值取决于地形阻挡阴影衰落和工作频率，而 与基站天线高度及通信距离关系不大。o r 是根据测试数据，使用线性递归使测量 值和估计值的均方差最小的计算方法得到的。具体值可查表3 1 。 表3 1 阴影衰落标准差。值嘲 t a b l e 3 1s t a n d a r dd e v i a t i o no fs h a d o we f f e c t 阴影衰落标准差a ( d b ) 频率( m n z ) 市区郊区 丘陵 1 5 03 5 5 54 一v 79 4 6 067 51 l 9 0 06 581 4 l o 3 2 3 小尺度衰落 由于反射、衍射和局部散射效应，从基站发出的信号可能经不同的路径到达 接收机，因而产生了多径衰落。不同的路径具有不同的长度，这使得接收机将在 不同的到达时间“看到”该信号幅度不一的多个副本。还有，当被局部实体反射或散 射的时候，这个信号会产生相位偏移。随着接收机的天线在空间中移动，当这些 干涉小波在接收机端相互加强或减弱时，接收机将感受到信号强度的高峰和低谷。 一般，使用统计方法来表达当电磁波遇到物理障碍时将发生的变化，用瑞利衰落 和赖斯衰落来模拟无线信道衰落。 瑞利衰落是一个用来描述信道传播规律的数学分布，适用于在从发射机到接 收机之间没有直射路径的情况。这个分布可以表达在一个繁忙的城市街道上看到 的信道条件，这种情况下基站被隐藏在几个街区之外的建筑物背后。在乡村环境 中，多径衰落模型由几个反射路径与一个强视距路径组合而成，其频谱功率遵循 赖斯分布。直接射束和多径射束的能量之比被称为赖斯因子。 铁路环境一般是较为空旷的地区，应该使用赖斯信道作为其信道模型。但由 于瑞利信道和赖斯信道对干扰概率的影响并不大【1 2 】，而使用瑞利信道比使用赖斯 信道的计算过程会简单好多，因此本文的小尺度衰落，选用瑞利衰落模型。 瑞利分布是一个均值为0 ，方差为o - 2 的平稳窄带高斯过程，其包络的一维分 布是瑞利分布。其概率密度表达式如下所示。 77 2 f ( z ) = e x p ( 一j ) ，z 0 o -2 0 ( 3 1 0 ) 瑞利衰落总是叠加于如阴影、衰减等大尺度及中尺度衰落效应上( 图3 1 ) 。 奄 若 兰 罂 9 ( ，) a n t e n n ad i s p l a c e m e n t ( o rt i m e ) 图3 1 移动通信场强分布变化特性 f i 9 3 1c h a r a c t e r i s t i co fl e v e ls t r e n g t hi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 3 3载干比c i 的随机变量特性 3 3 1接收信号的随机变量特性 如前所述，本课题采用h a t a 模型对铁路沿线的g s m r 网络覆盖进行建模， 并分析计算覆盖情况。根据我国铁路g s m r 网络的实际情况，现建立模型如下： 频率厂：9 3 2 m h z ( g s m r 下行链路工作频段9 3 0 9 3 4 m h z ) ； 基站高度巩：3 5 米 移动台高度日。：4 5 m ( 机车台) 电波传播环境：郊区 基站发射功率为尸= 3 9 d b m 计算所得路径损耗公式为： l d b 2 1 11 3 2 + 3 4 7 9 1 9 d k m ( 3 11 ) 下面，将逐步推导接收信号功率的概率密度函数： 第一步，求接收信号的较大区域场强中值p , d b m 】的表达式 利用h a t a 模型，移动台与基站之间的距离为d ( b n ) ，则有： p , d b m - p , d b m 一l d b 】= 3 9 - ( 1 1 1 3 2 + 3 4 7 9 1 9 d ) = 7 2 3 2 - 3 4 7 9 1 9 d ( 3 1 2 ) 第二步，求接收信号的局部场强中值p o m w 】的概率密度函数 由公式3 9 ，得 肥c 锄炉志晰簪， 当只的单位为m w 时，概率密度函数为公式3 1 4 。 肥( 删) ) 矗最e x p ( 一掣) ( 3 第三步，求瞬时接收功率p ( m w ) 的概率密度函数 由3 2 3 节，均值一定的条件下，接收到的信号幅值的瞬时接收功率值服从瑞 利分布，设瑞利分布的方差为盯，即 加= 7 2 e x p ( 舌j 1 2 于是瞬间接收功率p = ；( m w ) 的概率密度函数为式3 1 6 。 朋：丁专e x p ( 一砉) 川 【0 p 0 显然，p ( m w ) 服从于指数分布： p ( ，z ) e ( 占) 又因为p o ( m w ) 是p ( m w ) 的中值，而上式又是在中值一定的条件下得出 以得到公式( 3 18 ) 。 p o = 盯2 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 的，所 ( 3 1 8 ) 瞵时强收功翠p ( m w ) 的条件概翠瑟度幽数为公式( 3 1 9 ) 。 朋一寺e ) ( p 川 【0 p - o ( 3 1 9 ) 综上，接收信号的瞬时接收功率的概率密度特性可以用以下两个公式( 3 2 0 ) 和 ( 3 2 1 ) 表示。 胛_ 寺e x p ( - 百p 川 2 。， 【0 p - 0 肥( 棚) ) - 高c x p ( 一掣) ( 3 2 1 ) 3 3 2 载干比c i 的随机变量特性 设有用信号的局部场强中值为足。，同频干扰信号的局部场强中值为e 。，有 用信号c 的瞬时功率为尼，同频干扰信号i 的瞬时功率为e ，由公式( 3 2 0 ) ， 可以得到有用信号和同频干扰信号的瞬时功率的条件概率密度函数，如公式( 3 2 2 ) 和公式( 3 2 3 ) 。 韭豆至煎去堂亟坐位垃毫回题王拙摄塞 乓0 足0 m 怙1e x p ( 一刳删 【0c 0 从而可以求出c i 的条件概率密度函数，如公式( 32 4 ) 和公式( 32 s ) 。 f ( 鲁- cp c 嘏。) = 丽p c o p t o ( z = 鲁) 九号i 每刊= 赤每= 石备争 3 4单干扰源时的同频干扰概率 ( 32 2 ) ( 32 3 ) ( 32 4 ) ( 32 5 ) 为了满足铁路沿线线性覆盖，一般使用八字天线或者功分器将一个小区分为 两个方向的方案来减少切换次数，因此，铁路沿线一般只需要考虑一个同频小区 也就是只有一个同频干扰源。 箬圭：兰；：兰二j ；争 卜。7 r 。一 图32 g s m - r 线状覆盖示意幽 f i 9 32 t h e l i n e a r c o v e r a g e o f g s m - r 图32 中，网络使用了五频组的频率规划方案，图中的a 1 ，a 2 ，a 3 ，a 4 ， a 5 分别代表不同的频点号。红点表示移动台所在位置，第一和第六个小区都使用 了a l 频点，属于同频小区。 现在分析这种情况下的同频干扰概率，只存在一个同频干扰源时，载干比中 值一定时，设z = 耳只，对公式( 32 5 ) 积分，可得同频干扰概率的条件概率密度 函数为公式( 3 2 6 ) 。 脚】象1 0 = 肿= 坼一。【鲁1 0 刊= l ，0c 毒l 每1 0 = 一f c 毒，= k 0 钫出= 南 11 1 c j1c 7 p ，“p 生 一 ，l p 强 三。 f【 = 乓巴， ( 3 2 6 ) 再由3 2 1 节， 最。，c 。服从于相应的对数正态分布，设载波信号的大区域场 强中值为，同频干扰信号的大区域场强中值为昂，可得 足。( d b m ) ( 尼，砰) 只。( d b m ) ( 昂，) 载波信号与同频干扰信号距离较大，因此可以假设弓。，弓。相互独立，而高斯 分布的线性组合仍然服从于高斯分布，从而 z o = p c 。一只。n ( p c ，一己，砰+ 砖) ( 3 2 7 )